劉 穎，黃釘勁，費(fèi) 韓

（1.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安710021；2.西安北方光電科技防務(wù)有限公司，西安710000）

隨著科技的飛速發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)照明的需求正從基礎(chǔ)性光照向多樣性、舒適性、通用性以及節(jié)能性等多方位延展，燈光照明系統(tǒng)的改善也因此受到了越來(lái)越多的關(guān)注[1-2]。在一些商場(chǎng)、辦公場(chǎng)所以及倉(cāng)庫(kù)等區(qū)域?yàn)檫_(dá)到人們對(duì)生活環(huán)境以及安全的要求，采用應(yīng)急照明、情景照明以及普通照明協(xié)調(diào)工作的方式，但是目前大多為分開(kāi)控制[3-4]。這種控制方法帶來(lái)了很多不利的因素，如安裝麻煩、資源浪費(fèi)、操作及維修方式復(fù)雜[5-6]等。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種采用DALI2.0 協(xié)議控制多種類(lèi)型燈光整合系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的燈具、DALI 燈具以及應(yīng)急照明燈具組成照明網(wǎng)絡(luò)，并且配合傳感器使用，既能滿(mǎn)足人們對(duì)工作環(huán)境的照明、場(chǎng)景控制，又能將消防燈具接入系統(tǒng)達(dá)到應(yīng)急照明的功能。本文通過(guò)設(shè)計(jì)DALI 傳感器、DALI 網(wǎng)關(guān)以及DALI 控制器來(lái)控制多種燈光組成照明網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)紅外遙控模塊、WIFI 通訊模塊實(shí)現(xiàn)智能照明系統(tǒng)的場(chǎng)景、色溫以及照度的分配與控制。采用人體移動(dòng)傳感器、光照度傳感器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)配合工作進(jìn)行不同時(shí)間、不同環(huán)境下多種場(chǎng)景模式的切換。設(shè)計(jì)基于C/S架構(gòu)的控制軟件通過(guò)WIFI 與控制器進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景、色溫切換和定時(shí)巡檢以及根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行一周不同時(shí)段不同操作的自動(dòng)控制。

1 DALI2.0 協(xié)議介紹

DALI（digital addressable lighting interface）協(xié)議是一個(gè)數(shù)字化可尋址的照明協(xié)議，是專(zhuān)門(mén)用于照明控制的數(shù)字化協(xié)議。最早是由Tridonic 提出的，在1998年由Philips，Tridonic 等一些歐洲照明廠(chǎng)商聯(lián)合開(kāi)發(fā)，2002年被納入EN60929 標(biāo)準(zhǔn)的附錄E 和G 中[7-9]。在2018年DIIA 聯(lián)盟提出了DALI2.0 的概念，在之前的DALI 協(xié)議基礎(chǔ)上添加輸入設(shè)備以及能源監(jiān)測(cè)，促進(jìn)了DALI 燈具在智能照明控制領(lǐng)域的應(yīng)用。DALI2.0 協(xié)議采用尋址控制的模式，每條DALI總線(xiàn)上可掛載64 個(gè)地址，并且可對(duì)這64 個(gè)燈具進(jìn)行16 個(gè)場(chǎng)景和16 個(gè)分組控制。通過(guò)直接控制電弧功率和間接電弧功率控制的方式將LED 的亮度等級(jí)從0%～100%分為255 個(gè)等級(jí)控制。DALI 總線(xiàn)采用差分式總線(xiàn)通訊，高電平為9.5 V～22 V，低電平為-4.5 V～4.5 V，信號(hào)采用曼徹斯特碼的編碼方式，上升沿為“1”，下降沿為“0”[10-12]。DALI 鎮(zhèn)流器分為DT6（DALI Type 6）和DT8（DALI Type 8）兩種模式，DT6 只能進(jìn)行DALI 的亮暗調(diào)節(jié)，DT8 既可以進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)又可以進(jìn)行色溫調(diào)節(jié)。本文采用DALI2.0控制協(xié)議和DT6、DT8 兩種模式的鎮(zhèn)流器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在DALI2.0 協(xié)議上進(jìn)行多類(lèi)型燈光控制的設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)DALI 主控、DALI 傳感器、DALI網(wǎng)關(guān)、DALI 控制面板等輸入設(shè)備與DALI 燈具、消防照明燈具、普通燈具以及其它設(shè)備連接，組成基于DALI2.0協(xié)議的多類(lèi)型燈光照明系統(tǒng)。

系統(tǒng)的總體方案如圖1所示，系統(tǒng)總共分為人機(jī)交互層、云服務(wù)器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層、DALI 控制層。人機(jī)交互層主要是將人們的需求通過(guò)上位機(jī)軟件、遙控器、控制面板發(fā)送出來(lái)，經(jīng)過(guò)云服務(wù)器轉(zhuǎn)換或者直接發(fā)送到DALI 系統(tǒng)中。云服務(wù)器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層是將上位機(jī)軟件發(fā)送過(guò)來(lái)的需求轉(zhuǎn)換為控制命令發(fā)給DALI 系統(tǒng)。DALI 控制層是DALI 命令執(zhí)行的部分，通過(guò)此部分進(jìn)行多類(lèi)型燈光的控制。將輸入和輸出設(shè)備掛接在DALI 總線(xiàn)上，DALI 電源為DALI總線(xiàn)提供穩(wěn)定的16 V 電源，保證系統(tǒng)正常通訊。輸入設(shè)備包括DALI 主控、DALI 傳感器、DALI 控制面板，將環(huán)境信息或者人員操作信息解析成DALI 命令并轉(zhuǎn)發(fā)到DALI 總線(xiàn)上。輸出設(shè)備包括DT6 和DT8 兩種類(lèi)型的DALI 鎮(zhèn)流器、DALI 網(wǎng)關(guān)，通過(guò)接收DALI 總線(xiàn)上命令來(lái)控制不同燈具進(jìn)行不同場(chǎng)景、色溫、照度轉(zhuǎn)變以及控制排氣扇窗簾等設(shè)備。用戶(hù)在操作系統(tǒng)時(shí)可選擇通過(guò)人機(jī)交互層直接控制，也可選擇配置系統(tǒng)信息，使DALI 系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部的自適應(yīng)控制。對(duì)于應(yīng)急照明系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的定時(shí)巡檢與應(yīng)急照明方案配置，可定期對(duì)DALI 應(yīng)急照明設(shè)備進(jìn)行巡檢以及在遇到特殊情況是啟動(dòng)應(yīng)急照明方案。

圖1 系統(tǒng)的總體方案Fig.1 Total scheme of the system

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路是選用STM32F103ZET6 作為主控芯片，系統(tǒng)電路包括DALI 主控、DALI 傳感器、DALI 網(wǎng)關(guān)、DALI 控制面板電路。

3.1 DALI 主控

DALI 主控是接收人機(jī)交互層發(fā)送過(guò)來(lái)的信息并轉(zhuǎn)發(fā)到DALI 總線(xiàn)上，DALI 主控的功能包括WIFI 通訊接口、紅外接收電路、DALI 接口電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。主控系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

圖2 DALI 主控電路Fig.2 DALI master control circuit

WIFI 通訊電路采用ESP8266 通訊模塊，該模塊為3.3 V 供電，與主控芯片通過(guò)UART 的方式通訊，通過(guò)該模塊可直接與云服務(wù)器連接，并與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。紅外接收電路采用HX1838 作為紅外接收器，HX1838 的數(shù)據(jù)輸出端與STM32 的通用定時(shí)器連接，通過(guò)定時(shí)器的輸入捕獲來(lái)讀取遙控器發(fā)過(guò)來(lái)的指令。實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用DS3231 時(shí)鐘芯片，DS3231 是高精度的IIC 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，一年的運(yùn)行誤差小于1 min。在設(shè)計(jì)電路時(shí)只需要將該芯片的IIC接口與主控芯片的IIC 接口連接就可讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘。電路如圖3所示，圖中R21～R24為上拉電阻，可以加大通訊線(xiàn)路的通訊能力，保證信號(hào)的準(zhǔn)確性。32 kHz 接電路中32.768 kHz 晶振，為芯片提供準(zhǔn)確的震蕩頻率。SQW 為DS3231 的復(fù)位接口，與單片機(jī)的IO 連接，通過(guò)檢測(cè)低電平來(lái)復(fù)位時(shí)鐘。SCL 和SDA 為IIC 通訊接口，與單片機(jī)的IIC 接口連接，進(jìn)行時(shí)鐘數(shù)據(jù)的發(fā)送。

圖3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路Fig.3 Real-time clock circuit

3.2 DALI 傳感器

DALI 傳感器采集周?chē)h(huán)境的信息并將信息發(fā)送給DALI 主控，DALI 主控根據(jù)接收的信息進(jìn)行相應(yīng)的燈具操作。DALI 傳感器的硬件框圖如圖4所示，系統(tǒng)包括DALI 通信及取電接口、光照度傳感器電路、人感電路以及其它環(huán)境傳感器電路。

圖4 DALI 傳感器電路Fig.4 DALI sensor circuit

DALI 傳感器由于功率小、位置不定等因素，因此為了方便安裝采用從DALI 總線(xiàn)取電的方式。DALI 協(xié)議規(guī)定DALI 總線(xiàn)上不能超過(guò)250 mA 的電流且每個(gè)設(shè)備的電流不能超過(guò)2 mA，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)既要保證可以取到電能又要保證總線(xiàn)可以正常通訊，設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖5 DALI 接口及取電電路Fig.5 DALI interface and power circuit

DALI 總線(xiàn)通過(guò)光耦TLP521 將微控制器發(fā)送過(guò)來(lái)的TTL 電平轉(zhuǎn)換成DALI 總線(xiàn)所需要的電平，由于DALI 總線(xiàn)沒(méi)有正負(fù)之分，因此選用整流橋來(lái)對(duì)輸入電壓進(jìn)行整流并輸入到電路中，RM1和D15分別為自恢復(fù)保險(xiǎn)和瞬態(tài)抑制二極管對(duì)電路起保護(hù)作用。將整流橋輸出的電壓通過(guò)1N4148 單向?qū)ǜ綦x后為系統(tǒng)提供16 V 電源，在經(jīng)過(guò)HT7533 將電平轉(zhuǎn)換為3.3 V 供芯片使用。C16的作用為儲(chǔ)能，通常時(shí)間為其充電，當(dāng)DALI 總線(xiàn)進(jìn)行信號(hào)傳輸且為低電平不能提供電量時(shí)，通過(guò)電容放電來(lái)保證電路正常工作。BZX84C5V6 為穩(wěn)壓二極管，保證PSSI212021SAY 和光耦的輸入信號(hào)為穩(wěn)定5 V 電平。PSSI2021SAY 為限流芯片，通過(guò)R17不同的阻值來(lái)控制系統(tǒng)的電流不超過(guò)2 mA，R18阻值通過(guò)式（1）計(jì)算得出。

光照度傳感器采用BH1750FVI 光照度傳感器，BH1750FVI 是16 位數(shù)字輸出傳感器，采用IIC 通訊，可探測(cè)1～65535 lx 的光照度。將檢測(cè)到的光照度通過(guò)IIC 接口發(fā)送到單片機(jī)中，單片機(jī)通過(guò)計(jì)算將光照度分為255 個(gè)等級(jí)，采用DALI 協(xié)議中預(yù)留的指令將光照度信息傳送到主控中。人感傳感器采用HM412 人體移動(dòng)模塊，HM412 將信號(hào)轉(zhuǎn)化為ADC 信號(hào)輸出，當(dāng)檢測(cè)到有人存在時(shí)輸出3 V 電平，無(wú)人時(shí)輸出1 V 電平，采用2 個(gè)NPN 三極管將ADC電平轉(zhuǎn)化為高低電平輸出到單片機(jī)中。設(shè)計(jì)時(shí)，在電路中預(yù)留傳感器接口，可連接普通的環(huán)境傳感器采集環(huán)境信息。

3.3 DALI 網(wǎng)關(guān)

DALI 網(wǎng)關(guān)是通過(guò)設(shè)計(jì)DALI 接口電路及開(kāi)關(guān)電路配合使用。DALI 接口電路接收信號(hào)，并通過(guò)微處理器轉(zhuǎn)換信號(hào)并控制開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行相應(yīng)的模式控制。該模塊包括了多個(gè)開(kāi)關(guān)電路，DALI 總線(xiàn)不能為其提供足夠的電能，且DALI 網(wǎng)關(guān)距離燈具設(shè)備較近，因此可采用交流轉(zhuǎn)直流模塊直接從市電中取電。通過(guò)LDE02_23B05 模塊將電壓轉(zhuǎn)化為5 V 電平，電源電路如圖6所示，NTC 熱敏電阻主要是防止電路中短路導(dǎo)致電流過(guò)大。MOV 壓敏電阻是限壓元件，限制電路的輸入電壓。C32為安規(guī)電容，主要用于電路的抗干擾以及濾波作用。D31為瞬態(tài)二極管，起保護(hù)作用，C31、C37為濾波電容。通過(guò)ASM1117 穩(wěn)壓芯片將LDE02_23B05 輸出的5 V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V為單片機(jī)提供電平。開(kāi)關(guān)電路是通過(guò)多組繼電器進(jìn)行的開(kāi)關(guān)控制，可對(duì)普通的燈具進(jìn)行分組安裝起到場(chǎng)景變換的作用，還可以連接應(yīng)急照明燈具，有電時(shí)繼電器吸合應(yīng)急照明關(guān)閉，蓄電池充電，沒(méi)有電時(shí)繼電器調(diào)至另一側(cè)應(yīng)急照明燈開(kāi)啟。

圖6 DALI 網(wǎng)關(guān)電源電路Fig.6 DALI gateway power circuit

3.4 DALI 控制面板

DALI 控制面板通過(guò)設(shè)計(jì)串口屏的頁(yè)面進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送，微控制器將接收到的屏幕信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的DALI 信號(hào)，并發(fā)送到DALI 總線(xiàn)中。對(duì)應(yīng)的DALI 鎮(zhèn)流器在接收到信號(hào)后進(jìn)行相應(yīng)的操作，完成調(diào)光、調(diào)色以及不同場(chǎng)景、分組的控制。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DALI 多燈光系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)最主要的為DALI主控的軟件設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 DALI 主控程序流程Fig.7 DALI master control program flow chart

主控進(jìn)行初始化并從Flash 中讀取所需要的信息，初始化完成后開(kāi)啟中斷等待接收傳感器和人機(jī)交互端發(fā)送的指令并解析，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘定期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行巡檢。接收到人機(jī)交互端發(fā)送過(guò)來(lái)的指令時(shí)，DALI 主控將其解析為DALI 指令并判斷該指令是否需要返回，若需要返回則延時(shí)18.4 ms 并等待返回信息，DALI 主控將返回的信息發(fā)送到人機(jī)交互端。若無(wú)返回本次循環(huán)完成，重新開(kāi)啟中斷等待接收指令。當(dāng)采用傳感器自適應(yīng)控制時(shí)，系統(tǒng)一直等待傳感器返回指令。當(dāng)主控接收到有人的指令時(shí)，首先判斷當(dāng)前控制方式，若為場(chǎng)景控制，讀取當(dāng)前時(shí)間并判斷該時(shí)段的場(chǎng)景，發(fā)送場(chǎng)景指令，并且計(jì)時(shí)器清零開(kāi)始計(jì)時(shí)，主控將對(duì)應(yīng)的中斷打開(kāi)繼續(xù)檢測(cè)，若有人則將計(jì)時(shí)器清零重新計(jì)時(shí)，若無(wú)人且計(jì)時(shí)時(shí)間到設(shè)定值，主控認(rèn)為當(dāng)前環(huán)境無(wú)人存在，發(fā)送當(dāng)前時(shí)段無(wú)人場(chǎng)景。如果為照度控制，首先判斷當(dāng)前時(shí)段設(shè)置的照度等級(jí)，并將計(jì)算好的電弧功率等級(jí)發(fā)出。由于采用DALI2.0 協(xié)議傳輸，每次只能傳輸8 位數(shù)據(jù)，為了便于傳輸將照度分為255 個(gè)等級(jí)，照度傳感器檢測(cè)范圍為0～65535 lx，但是一般的商超的照明只有1000 lx 左右，因此在設(shè)計(jì)中將0～2000 lx 的照度分為255 等分，超過(guò)2000 lx 的默認(rèn)為255。傳感器將采集到的光照度通過(guò)式（2）轉(zhuǎn)換為當(dāng)前照度等級(jí)，Lcur為當(dāng)前照度，M為對(duì)應(yīng)的照度等級(jí)。根據(jù)DALI 的擴(kuò)展協(xié)議將照度等級(jí)發(fā)出，主控在接收到傳感器發(fā)送的照度信息后通過(guò)式（3）求出多個(gè)傳感器的平均照度等級(jí)為當(dāng)前環(huán)境的照度等級(jí)。

根據(jù)當(dāng)前環(huán)境的照度等級(jí)以及用戶(hù)設(shè)置的照度等級(jí)，采用增量式PID 的算法，算法如式（4）所示，通過(guò)改變Kp，Ki，Kd三個(gè)參數(shù)來(lái)改變?chǔ)的增長(zhǎng)快慢，Lk，Lk-1，Lk-2為當(dāng)前照度值，上一次以及上上一次的照度值。將計(jì)算出來(lái)的ΔL加上前一次發(fā)出的電弧功率值，并發(fā)送給燈具后，繼續(xù)判斷照度值，當(dāng)檢測(cè)的照度等級(jí)達(dá)到用戶(hù)需求時(shí)停止計(jì)算。并保持當(dāng)前的照度，直到下一次觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，重新計(jì)算所需的照度值。若計(jì)時(shí)時(shí)間到了，依然沒(méi)有檢測(cè)到有人存在時(shí)，通過(guò)式（4）將照度調(diào)整到無(wú)人時(shí)的照度等級(jí)。

系統(tǒng)定期對(duì)應(yīng)急照明燈具進(jìn)行巡檢，第一步查詢(xún)燈具當(dāng)前的狀態(tài)，發(fā)送YAAA AAA1 1001 0001查詢(xún)鎮(zhèn)流器的狀態(tài)是否正常，正?；貜?fù)FF，否則不回復(fù)。然后發(fā)送YAAA AAA1 1001 0101 查詢(xún)是否丟失短地址，有該短地址則不回復(fù)，否則回復(fù)FF。燈具狀態(tài)檢查完成后發(fā)送YAAA AAA1 1001 1011檢查當(dāng)前電源是否有故障，有則回復(fù)故障等級(jí)，否則不回復(fù)。最后通過(guò)YAAA AAA1 1001 1100 查詢(xún)DTR1 中儲(chǔ)存的蓄電池電量值，檢測(cè)蓄電池是否可以正常儲(chǔ)存電量。在檢測(cè)過(guò)程中，若檢測(cè)到有故障存在，主控板將故障信息和燈具短地址發(fā)送給用戶(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于DALI2.0協(xié)議的多類(lèi)型燈光整合系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)DALI 主控、DALI 傳感器以及DALI 網(wǎng)關(guān)并根據(jù)DALI2.0 通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種類(lèi)型燈光的控制。減去了普通照明、情景照明和應(yīng)急燈具分開(kāi)布線(xiàn)的麻煩，將DALI 照明、應(yīng)急照明、普通照明和其他控制設(shè)備融合到一起，既可以起到對(duì)調(diào)色、調(diào)光和場(chǎng)景的控制又能對(duì)燈具進(jìn)行狀態(tài)巡檢，保證應(yīng)急照明的穩(wěn)定。同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部可根據(jù)傳感器的信息進(jìn)行環(huán)境、時(shí)序的自動(dòng)控制，既滿(mǎn)足人們對(duì)照明環(huán)境的需求又起到了操作和安裝簡(jiǎn)單的效果。